ЛАЗЕРНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Бровер А.В., Бровер Г.И., Галченко С.В.

Донской государственный технический университет

Применение объемной термообработки для упрочнения титановых сплавов ограничивается значительными потерями металла в результате газовой коррозии, вызванной высокой активностью титана по отношению к газам в условиях длительного нагрева изделий до высоких температур, а также в связи с большой энергоемкостью процесса термоупрочнения, общая длительность которого в условиях печной обработки достигает десятков часов. Длительная выдержка при высоких температурах способствует также росту зерна и охрупчиванию сердцевины деталей из титановых сплавов.

Перспективным направлением в развитии новых технологических процессов термоупрочнения титановых сплавов представляется использование гипервысоких скоростей нагревания, достигаемых, в частности, при лазерной обработке. Возможность упрочнения при этом основана на существовании фазового перехода между двумя аллотропическими модификациями титана - низкотемпературной a-фазой с ГПУ-решеткой и высокотемпературной b-фазой с ОЦК-решеткой. Лазерная закалка и легирование, кроме того, позволяют получать различные метастабильные структуры, соотношение объемных долей которых может оказать существенное влияние на свойства облученных титановых сплавов.

В настоящей работе использовались образцы титанового сплава ВТ3-1. Лазерное облучение проводилось на технологической установке “Квант-16” с плотностью мощности излучения 100-150 МВт/м². Для осуществления процесса лазерного легирования применялись порошки различного состава: стандартный карбюризатор (березовый), феррохром, Аl₂O₃, Т15К6, a-BN, молекулярный бор. В качестве связки использовали пековый лак. Металлографический анализ проводился на микроскопе “Neophot-21”, полирование и травление шлифов выполнялось электролитическим методом. Дюрометрические измерения проводились на приборе ПМТ-3. При рентгеноструктурных исследованиях использовался дифрактометр ДРОН-3М, съемка осуществлялась в фильтрованном FeК_a-излучении.

Установлено, что после лазерной закалки на поверхности образцов формируется светлый нетравящийся слой глубиной 70-100 мкм, содержащий включения глобулярной формы. Твердость облученных зон после лазерной закалки и лазерного легирования с использованием перечисленных выше обмазок составляет 3,5-5,6 ГПа.

Анализ дифрактограмм показал, что при лазерной обработке (как закалке, так и легировании) по сравнению с исходным состоянием во всех случаях исчезают рефлексы TiO₂, что свидетельствует об уменьшении эффекта взаимодействия титана с кислородом воздуха при скоростной термообработке за счет многократного сокращения продолжительности нагрева металла до высоких температур. Установлено также, что после лазерного облучения на рентгенограммах наблюдается значительное уширение и раздвоение рефлексов Ti_a в связи с пересыщением твердого раствора легирующими элементами, а также с его концентрационной и морфологической неоднородностью вследствие образования мартенситных фаз a¢ и a¢¢. Замечено, что во всех образцах в структуре присутствуют нитрид и карбид титана. Образование мартенситной фазы a¢, насыщение азотом и углеродом из воздуха и из покрытий с образованием TiN и TiC приводит к повышению твердости в зонах лазерной обработки.

Как известно, уровень механических свойств термоупрочненных титановых сплавов окончательно формируется при старении закаленных сплавов. В основе этого процесса лежит распад полученных закалкой метастабильных a¢- и a¢¢-фаз.

Гексагональный мартенсит обычно распадается путем гетерогенного выделения b-фазы на дефектах кристаллического строения с сохранением общей мартенситной морфологии. При лазерной закалке формируются фазы, имеющие повышенную плотность структурных дефектов, что приводит к множественному выделению дисперсных частиц b-фазы и к повышению твердости. При этом устойчивость к распаду и степень упрочнения основных фаз определяется легированием титановых сплавов. Например, наиболее устойчивым по отношению к распаду является мартенсит, полученный лазерной закалкой или лазерным легированием поверхности образцов углеродом, что вызвано наличием в облученных зонах большого количества обогащенных по сравнению со средним составом объемов металла и приводит к получению твердости на уровне 4,5-5,1 ГПа. Лазерное легирование порошком Аl₂O₃ уменьшает устойчивость мартенсита к распаду и повышает твердость облученных зон до максимальных значений 5,1-6,5 ГПа. Дополнительное введение в поверхностные слои титановых образцов при лазерном облучении феррохрома и a-BN приводит к получению твердости в пределах 4,8-5,6 ГПа. Во всех случаях твердость облученных зон выше, чем твердость сплава ВТ3-1 после объемной закалки и старения, которая составляет 3,0-4,1 ГПа.

Таким образом, на поверхности титановых образцов при лазерном облучении формируется упрочненный слой, имеющий достаточно большую глубину (70-100 мкм) и твердость, превышающую твердость исходного металла в 1,1-1,6 раза, что обусловлено концентрационной и морфологической неоднородностью твердых растворов, образованием мартенситной фазы a¢, насыщением сплава азотом и углеродом из воздуха и из покрытий.